機(jī)器視覺基本概念學(xué)習(xí)筆記8

5、 光源

光源是影響機(jī)器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，因?yàn)樗苯佑绊戄斎霐?shù)據(jù)的質(zhì)量和至少30%的應(yīng)用效果。由于沒有通用的機(jī)器視覺照明設(shè)備，所以針對(duì)每個(gè)特定的應(yīng)用實(shí)例，要選擇相應(yīng)的照明裝置，以達(dá)到最佳效果。

許多工業(yè)用的機(jī)器視覺系統(tǒng)用可見光作為光源，這主要是因?yàn)榭梢姽馊菀撰@得，價(jià)格低，并且便于操作。常用的幾種可見光源是白幟燈、日光燈、水銀燈和鈉光燈。但是，這些光源的一個(gè)最大缺點(diǎn)是光能不能保持穩(wěn)定。

以日光燈為例，在使用的第一個(gè)100小時(shí)內(nèi)，光能將下降15%，隨著使用時(shí)間的增加，光能將不斷下降。因此，如何使光能在一定的程度上保持穩(wěn)定，是實(shí)用化過程中急需要解決的問題。

另一個(gè)方面，環(huán)境光將改變這些光源照射到物體上的總光能，使輸出的圖像數(shù)據(jù)存在噪聲，一般采用加防護(hù)屏的方法，減少環(huán)境光的影響。由于存在上述問題，在現(xiàn)今的工業(yè)應(yīng)用中，對(duì)于某些要求高的檢測(cè)任務(wù)，常采用X射線、超聲波等不可見光作為光源。

一個(gè)好的操作平臺(tái)應(yīng)該能夠在最短的時(shí)間內(nèi)處理圖像，好的機(jī)器視覺軟件應(yīng)該能夠很容易的在一系列的案例中應(yīng)用，好的相機(jī)和鏡頭應(yīng)該是擁有最小的畸變和足夠的分辨率。但是，好的機(jī)器視覺照明應(yīng)該有什么特點(diǎn)呢？在圖像的分析處理中，光源的角色又是什么呢？

判斷機(jī)器視覺系統(tǒng)照明的好壞，首先必須了解什么是光源需要做到的！顯然光源應(yīng)該不僅僅是使檢測(cè)部件能夠被攝像頭“看見”。有時(shí)候一個(gè)完整的機(jī)器視覺系統(tǒng)很難完成的工作，但是僅僅優(yōu)化一下光源就可以使系統(tǒng)順利進(jìn)行了。

• 衡量光源的好壞

  對(duì)比度：對(duì)比度對(duì)機(jī)器視覺來說非常重要。機(jī)器視覺應(yīng)用的照明的最重要的任務(wù)就是使需要被觀察的特征與需要被忽略的圖像特征之間產(chǎn)生最大的對(duì)比度，從而易于特征的區(qū)分。對(duì)比度定義為在特征與其周圍的區(qū)域之間有足夠的灰度量區(qū)別。好的照明應(yīng)該能夠保證需要檢測(cè)的特征突出于其他背景。
  亮度：當(dāng)選擇兩種光源的時(shí)候，最佳的選擇是選擇更亮的那個(gè)。當(dāng)光源不夠亮?xí)r，可能有三種不好的情況會(huì)出現(xiàn)。第一，相機(jī)的信噪比不夠；由于光源的亮度不夠，圖像的對(duì)比度必然不夠，在圖像上出現(xiàn)噪聲的可能性也隨即增大。其次，光源的亮度不夠，必然要加大光圈，從而減小了景深。另外，當(dāng)光源的亮度不夠的時(shí)候，自然光等隨機(jī)光對(duì)系統(tǒng)的影響會(huì)最大。
  魯棒性：另一個(gè)測(cè)試好光源的方法是看光源是否對(duì)部件的位置敏感度最小。當(dāng)光源放置在攝像頭視野的不同區(qū)域或不同角度時(shí)，結(jié)果圖像應(yīng)該不會(huì)隨之變化。方向性很強(qiáng)的光源，增大了對(duì)高亮區(qū)域的鏡面反射發(fā)生的可能性，這不利于后面的特征提取。在很多情況下，好的光源需要在實(shí)際工作中與其在實(shí)驗(yàn)室中的有相同的效果。

好的光源需要能夠使您需要尋找的特征非常明顯，除了是攝像頭能夠拍攝到部件外，好的光源應(yīng)該能夠產(chǎn)生最大的對(duì)比度、亮度足夠且對(duì)部件的位置變化不敏感。光源選擇好了，剩下來的工作就容易多了！

• 光源的控制

  機(jī)器視覺應(yīng)用關(guān)心的是反射光（除非使用背光）。物體表面的幾何形狀、光澤及顏色決定了光在物體表面如何反射。機(jī)器視覺應(yīng)用的光源控制的訣竅歸結(jié)到一點(diǎn)就是如何控制光源反射。如何能夠控制好光源的反射，那么獲得的圖像就可以控制了。因此，在機(jī)器視覺應(yīng)用中，當(dāng)光源入射到給定物體表面的時(shí)候，明白光源最重要的方面就是要控制好光源及其反映。

光源可預(yù)測(cè)：當(dāng)光源入射到物體表面的時(shí)候，光源的反映是可以預(yù)測(cè)的。光源可能被吸收或被反射。光可能被完全吸收（黑金屬材料，表面難以照亮）或者被部分吸收（造成了顏色的變化及亮度的不同）。不被吸收的光就會(huì)被反射，入射光的角度等于反射光的角度，這個(gè)科學(xué)的定律大大簡(jiǎn)化了機(jī)器視覺光源，因?yàn)槔硐氲南攵ǖ男Ч梢酝ㄟ^控制光源而實(shí)現(xiàn)。

物體表面：如果光源按照可預(yù)測(cè)的方式傳播，那么又是什么原因使機(jī)器視覺的光源設(shè)計(jì)如此的棘手呢？使機(jī)器視覺照明復(fù)雜化的是物體表面的變化造成的。如果所有物體表面是相同的，在解決實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候就沒有必要采用不同的光源技術(shù)了。但由于物體表面的不同，因此需要觀察視野中的物體表面，并分析光源入射的反映。

控制反射：如果反射光可以控制，圖像就可以控制了。這點(diǎn)再怎么強(qiáng)掉也不為過。因此在涉及機(jī)器視覺應(yīng)用的光源設(shè)計(jì)時(shí)，最重要的原則就是控制好哪里的光源反射到透鏡及反射的程度。機(jī)器視覺的光源設(shè)計(jì)就是對(duì)反射的研究。在視覺應(yīng)用中，當(dāng)觀測(cè)一個(gè)物體以決定需要什么樣的光源的時(shí)候，首先需要問自己這樣的問題：“我如何才能讓物體顯現(xiàn)？”“我如何才能應(yīng)用光源使必須的光反射到鏡頭中以獲得物體外表？”

影響反射效果的因素有：光源的位置，物體表面的紋理，物體表面的幾何形狀及光源的均勻性。

光源的位置：既然光源按照入射角反射，因此光源的位置對(duì)獲取高對(duì)比度的圖像很重要。光源的目標(biāo)是要達(dá)到使感興趣的特征與其周圍的背景對(duì)光源的反射不同。預(yù)測(cè)光源如何在物體表面反射就可以決定出光源的位置。

表面紋理：物體表面可能高度反射（鏡面反射）或者高度漫反射。決定物體是鏡面反射還是漫反射的主要因素是物體表面的光滑度。一個(gè)漫反射的表面，如一張不光滑的紙張，有著復(fù)雜的表面角度，用顯微鏡觀看的時(shí)候顯得很明亮，這是由于物體表面角度的變化而造成了光源照射到物體表面而被分散開了。而一張光滑的紙張有光滑的表面而減小了物體表面的角度。光源照射到光源的表面并按照入射角反射。

表面形狀：一個(gè)球形表面反射光源的方式與平面物體不近相同。物體表面的形狀越復(fù)雜，其表面的光源變化也隨之而復(fù)雜。對(duì)應(yīng)一個(gè)拋光的鏡面表面，光源需要在不同的角度照射。從不同角度照射可以減小光影。

光源均勻性：不均勻的光會(huì)造成不均勻的反射。均勻關(guān)系到三個(gè)方面。第一，對(duì)于視野，在攝像頭視野范圍部分應(yīng)該是均勻的。簡(jiǎn)單的說，圖像中暗的區(qū)域就是缺少反射光，而亮點(diǎn)就是此處反射太強(qiáng)了。不均勻的光會(huì)使視野范圍內(nèi)部分區(qū)域的光比其他區(qū)域多。從而造成物體表面反射不均勻（假設(shè)物體表面的對(duì)光的反射是相同的。

均勻的光源會(huì)補(bǔ)償物體表面的角度變化，即使物體表面的幾何形狀不同，光源在各部分的反射也是均勻的。

• 照明方式

  光源技術(shù)的應(yīng)用：光源技術(shù)是設(shè)計(jì)光源的幾何及位置以使圖像有對(duì)比度。光源會(huì)使那些感興趣的并需要機(jī)器視覺分析的區(qū)域更加突出。通過選擇光源技術(shù)，應(yīng)該關(guān)心物體是如何被照明及光源是如何反射及散射的。下面的表中列舉的是幾種常見的照明技術(shù)。

照明技術(shù)示意圖	照明技術(shù)及說明
	一般目的的照明（直接照明）：光直接射向物體，得到清楚的影像。當(dāng)我們需要得到高對(duì)比度物體圖像的時(shí)候，這種類型的光很有效。但是當(dāng)我們用它照在光亮或反射的材料上時(shí)，會(huì)引起像鏡面的反光。通用照明一般采用環(huán)狀或點(diǎn)狀照明。環(huán)燈是一種常用的通用照明方式，其很容易安裝在鏡頭上，可給漫反射表面提供足夠的照明。
	暗場(chǎng)（Dark Field）照明：暗場(chǎng)照明是相對(duì)于物體表面提供低角度照明。使用相機(jī)拍攝鏡子使其在其視野內(nèi)，如果在視野內(nèi)能看見光源就認(rèn)為使亮場(chǎng)照明，相反的在視野中看不到光源就是暗場(chǎng)照明。因此光源是亮場(chǎng)照明還是暗場(chǎng)照明與光源的位置有關(guān)。典型的，暗場(chǎng)照明應(yīng)用于對(duì)表面部分有突起的部分的照明或表面紋理變化的照明。
	背光照明：從物體背面射過來均勻視場(chǎng)的光。通過相機(jī)可以看到物面的側(cè)面輪廓。背光照明常用于測(cè)量物休的尺寸和定物體的方向。背光照明產(chǎn)生了很強(qiáng)的對(duì)比度。應(yīng)用背光技術(shù)時(shí)候，物體表面特征可能會(huì)丟失。例如，可以應(yīng)用背光技術(shù)測(cè)量硬幣的直徑，但是卻無法判斷硬幣的正反面。
	同軸照明：同軸光的形成--通過垂直墻壁出來的變化發(fā)散光，射到一個(gè)使光向下的分光鏡上，相機(jī)從上面通過分光鏡看物體。這種類型的光源對(duì)檢測(cè)高反射的物體特別有幫助，還適合受周圍環(huán)境產(chǎn)生陰影的影響，檢測(cè)面積不明顯的物體。
	漫射照明：連續(xù)漫反射照明應(yīng)用于物體表面的反射性或者表面有復(fù)雜的角度。連續(xù)漫反射照明應(yīng)用半球形的均勻照明，以減小影子及鏡面反射。這種照明方式對(duì)于完全組裝的電路板照明非常有用。這種光源可以達(dá)到170立體角范圍的均勻照明。